DE4447375A1 - Verfahren zur Beeinflussung der Dispergierbarkeit, Emulgierbarkeit Löslichkeit und/oder Reaktivität von niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflus­ sung der Dispergierbarkeit, Emulgierbarkeit, Löslich­ keit und/oder Reaktivität von niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffen und chemisch modi­ fizierte niedermolekulare alkylgruppenhaltige Fest­ stoffe.

Es ist bekannt, daß niedermolekulare alkygruppenhal­ tige Feststoffe, beispielsweise Paraffine, Fett­ säuren, Fettalkohole und Fettsäureester, auf vielen Gebieten eingesetzt werden können.

Hierzu werden bei vielen Anwendungsfällen aus den niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffe beispielsweise Dispersionen, Emulsionen oder Lösungen hergestellt. Hierbei ist nachteilig, daß entsprechend dem Anteil der Alkylgruppen bei den niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffen sich eine unter­ schiedliche Dispergierbarkeit, Emulgierbarkeit oder Löslichkeit in polaren Flüssigkeiten, wie beispiels­ weise Wasser, ergibt. Je höher der Gehalt an Alkyl­ gruppen ist, desto schlechter lassen sich die Fest­ stoffe in derartigen Flüssigkeiten dispergieren, emulgieren oder lösen. Um diese Nachteile auszugleichen, ist es bekannt, Hilfschemikalien, wie beispielsweise Dispergatoren oder Emulgatoren, einzu­ setzen. Aufgrund der relativ schlechten Disper­ gierbarkeit, Emulgierbarkeit oder Löslichkeit ergibt sich außerdem, daß mittels der niedermolekulen alkylgruppenhaltigen Feststoffe lediglich eine rela­ tiv niedrige Feststoffdichte in den Dispersionen, Emulsionen oder Lösungen erreichbar ist. Weiterhin beeinflußt der Gehalt an Alkylgruppen die Reaktivität des jeweiligen niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffes. Je höher der Gehalt an Alkylgruppen ist, desto geringer ist in der Regel seine Reaktivität. Hierdurch werden die Anwendungsmöglichkeiten der nie­ dermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffe einge­ schränkt.

Aus Kunststoff - Taschenbuch, 25. Ausgabe, Seite 248 bis 259, ist ein Verfahren zur Nachbehandlung von alkylgruppenhaltigen Feststoffen bekannt. Hierbei wird die Oberfläche des alkylgruppenhaltigen Fest­ stoffes, beispielsweise eine PE-Oberfläche, mittels eines Hochspannungsplasmas behandelt, um eine lokale chemische Modifizierung zu erreichen. Auf Grund dieser lokalen Oberflächenbehandlung, beispielsweise bei Formteilen, wird eine Verbesserung der Lackier­ barkeit beziehungsweise Bedruckbarkeit erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit dem in einfacher und kostengünstiger Weise eine Beein­ flussung einer Dispergierbarkeit, Emulgierbarkeit, Löslichkeit und/oder Reaktivität von niedermole­ kularen alkylgruppenhaltigen Feststoffen möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Fest­ stoffe einer Plasmabehandlung in einem Frequenz­ bereich von 10 kHz bis 10 GHz unterzogen werden. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß durch die Plasmabehandlung innerhalb der niedermolekularen al­ kylgruppenhaltigen Feststoffe gezielt eine Verän­ derung von Materialeigenschaften herbeiführbar ist. Insbesondere lassen sich durch die Plasmabehandlung chemische Spezialprodukte erzielen, die auf vielfäl­ tige Weise eingesetzt werden können. Außerdem wird es sehr vorteilhaft möglich, mittels der Plasma­ behandlung eine Dispergierbarkeit, Emulgierbarkeit oder Löslichkeit der niedermolekularen alkylgruppen­ haltigen Feststoffe in polaren Flüssigkeiten zu beeinflussen. Durch die Plasmabehandlung ergibt sich der überraschende Effekt, daß je nach Gehalt an Alkylgruppen der niedermolekularen alkylgruppen­ haltigen Feststoffen gezielt eine Dispergierbarkeit, Emulgierbarkeit, Löslichkeit und Reaktivität der niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffe verbessert werden kann. Durch diese bessere Ver­ arbeitbarkeit lassen sich höhere Feststoffdichten in Dispersionen oder Emulsionen erzielen. Etwa vorhandene Abstoßreaktionen zwischen den einzelnen Teilchen der niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffe in einer Dispersion oder Emulsion werden durch die Plasmabehandlung gezielt verringert, so daß eine gleichmäßigere und dichtere Feststoffverteilung erreichbar ist. Auf den zusätzlichen Einsatz von Hilfsmitteln, wie Dispergatoren oder Emulgatoren, kann weitgehend verzichtet werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor­ gesehen, daß die Plasmabehandlung mit wechselnden Frequenzen, vorzugsweise mit Kombinationen verschie­ den hoher, wechselnder Frequenzen durchgeführt wird. Hierdurch kann sehr vorteilhaft auf den unterschied­ lichen chemischen Aufbau der eingesetzten niedermole­ kularen alkylgruppenhaltigen Feststoffe sowie deren Verwendungszweck nach der Plasmabehandlung abgestimmt werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Plasmabehandlung unter Zufuhr wenigstens eines Inertgases, beispielsweise Helium und/oder Argon, und/oder unter Zufuhr wenigstens eines Reaktionsgases, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Monomere, durchgeführt wird. Weiterhin bevorzugt ist, wenn die Plasmabehand­ lung nacheinander mit einem Inertgasplasma und wenig­ stens einem Reaktionsgasplasma und/oder einem Reak­ tionsgasplasmagemisch oder unter Zufuhr eines Ge­ misches aus wenigstens einem Inertgas und einem Reak­ tionsgas durchgeführt wird. Durch Auswahl einer auf die zu modifizierenden niedermolekularen alkylgrup­ penhaltigen Feststoffe abgestimmten Zusammensetzung des Prozeßgases während der Plasmabehandlung (Inert­ gas, Reaktionsgas, Reaktionsgasgemisch) ist es mög­ lich, in die niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffe die zur chemischen Modifizierung erfor­ derlichen reaktiven Gruppen, beispielsweise Hydroxyl­ gruppen, Carboxylgruppen, primäre und sekundäre Ami­ nogruppen, in ausreichenden Maße einzubauen. Diese eingebauten Gruppen sind in der Lage, mit dem nieder­ molekularen alkylgruppenhaltigen Feststoff zu rea­ gieren und chemische Bindungen einzugehen und/oder physikalisch zu haften. Weitere einbaubare polare, aber nicht reaktive Gruppen, beispielsweise Carbonyl­ gruppen, tertiäre Aminogruppen, können ebenfalls eine Eigenschaftsänderung der niedermolekularen alkylgrup­ penhaltigen Feststoffe bewirken.

Die behandelten niedermolekularen alkylgruppenhal­ tigen Feststoffe besitzen eine relativ homogene Ver­ teilung der eingebrachten reaktiven beziehungsweise nichtreaktiven Gruppen über die gesamte Raumaus­ dehnung der niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffe. Es sind somit niedermolekulare alkylgrup­ penhaltige Feststoffe jeglicher Art erzielbar, die nach der Plasmabehandlung für bestimmte Anwendungs­ fälle geeignet sind. Die Einstellung der nieder­ molekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffe auf ihren speziellen Anwendungsfall kann in einfacher Weise durch die erfindungsgemäße Plasmabehandlung erfolgen.

Insgesamt wurde der überraschende Effekt der Erfin­ dung ausgenutzt, daß Kenngrößen wie beispielsweise Molekulargewicht keinen signifikanten Einfluß auf die Stärke des durch die Plasmabehandlung erzielten Effektes haben, sondern hierfür vor allem der Gehalt an Alkylgruppen und die Teilchengröße im Ausgangs­ material entscheidend ist. In dem Ausgangsmaterial bereits vorhandene funktionelle Gruppen haben überraschenderweise keinen signifikanten Einfluß auf den Effekt der erfindungsgemäßen Plasmabehandlung. Durch eine Auswahl einer auf den chemischen Aufbau des Ausgangsmaterials abgestimmten Zusammensetzung der Prozeßgase sowie einer insbesondere darauf abge­ stimmten Abfolge von Frequenzkombinationen ist es möglich, verschiedene funktionale Gruppen in Ausrich­ tung auf den Endverwendungszweck sowie die zu er­ zielende Dispergierbarkeit, Emulgierbarkeit, Löslich­ keit und Reaktivität und auf die in diesem Zusammen­ hang verwendeten Dispergier-, Emulgier- und Lösungs­ mittel, einzubauen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Verfahrensablauf zur Behandlung von niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Fest­ stoffen in einem Flußdiagramm und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Fig. 1 soll das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe eines Diagrammes verdeutlicht werden. In einem ersten Schritt 10 werden die als Ausgangs­ materialien zur Verfügung stehenden niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffe vorbereitet. In einem nächsten Schritt 12 wird das vorbereitete Aus­ gangsmaterial in eine Prozeßkammer gegeben. Die Pro­ zeßkammer kann dabei beispielsweise eine Drehtrommel eines an sich bekannten Plasmaofens zur Durchführung einer Plasmabehandlung sein.

In einem nächsten Schritt 14 werden die für die Be­ handlung des Ausgangsmaterials gewünschten Prozeß­ parameter und Prozeßgase eingestellt. Hierbei werden insbesondere die speziellen Kombinationen der Prozeß­ gase, das heißt, eine erste Behandlung mit einem Inertgasplasma, vorzugsweise mit Helium und/oder Ar­ gon, und die nachfolgende Behandlung mit einem Reak­ tionsgasplasma, vorzugsweise mit Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Monomere oder auch die Behandlung mit einem Plasma, das aus einem Gemisch der vorge­ nannten Gase erzeugt wird, festgelegt. Weiterhin er­ folgt die Einstellung der zur Plasmaerzeugung im Va­ kuum notwendigen Hochfrequenzen und deren zeitliche Abfolge. So sind Varianten denkbar, in der erst mit einer niederen Frequenz, beispielsweise 13,56 MHz, und anschließend mit einer höheren Frequenz, bei­ spielsweise 2,45 GHz, eine Plasmabehandlung durch­ geführt wird. Darüber hinaus ist eine alternierende Zuschaltung der Frequenzen denkbar. Selbstverständ­ lich können auch andere Frequenzen in beliebiger, frei wählbarer Reihenfolge zur Durchführung der Plas­ mabehandlung eingestellt werden. Im übrigen wird die gewünschte Drehzahl der Drehtrommel, beispielsweise im Bereich zwischen 4 und 20 Umdrehungen pro Minute, sowie der gewünschte Prozeßdruck, der beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 mbar und 2 mbar liegt, ein­ gestellt. Während der Plasmabehandlung kann der Pro­ zeßdruck verfahrensbedingt Schwankungen unterliegen. Weiterhin wird die Behandlungsdauer festgelegt, mit der die Behandlung des Ausgangsmaterials erfolgt. Diese beträgt beispielsweise zwischen 5 und 900 s. Die genannten Prozeßparameter beziehungsweise Prozeß­ gase können untereinander in beliebiger Zusammen­ stellung variiert werden und sind insbesondere auf die Zusammensetzung des jeweiligen konkret vorliegen­ den Ausgangsmaterials abgestimmt.

In einem nächsten Schritt 16 erfolgt dann die Plasma­ behandlung des Ausgangsmaterials mit den in dem Schritt 14 eingestellten Prozeßparametern beziehungs­ weise Prozeßbedingungen. Hierbei ist es ebenfalls denkbar, daß während der Plasmabehandlung in dem Schritt 16 eine Veränderung und/oder Anpassung der Prozeßparameter, beispielsweise durch eine Regelung, erfolgen kann. Durch die beschriebene Kombination der Prozeßgase und der Prozeßparameter der Plasmabehand­ lung ist der zum Zweck einer nachfolgenden Verwendung der niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffe erforderliche Einbau reaktiver Gruppen in Abhängig­ keit von dem eingesetzten Ausgangsmaterial in aus­ reichendem Maße erreichbar. Während der Plasmabe­ handlung erfolgt gegebenenfalls eine Kühlung der Feststoffe, da diese einen relativ niederen Schmelz­ punkt aufweisen können. Hierdurch wird ein Übergehen der Ausgangsmaterialien in eine Schmelze, aufgrund der Wärmeentwicklung bei der Plasmabehandlung, verhindert.

Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich nicht darauf, einen bestimmten niedermolekularen alkylgrup­ penhaltigen Feststoff zu behandeln. So ist es möglich, Gemische verschiedener niedermolekularer al­ kylgruppenhaltiger Feststoffe in einer wählbaren Zu­ sammensetzung der Plasmabehandlung zu unterziehen. Dies ist in einfacher Weise möglich, indem bei­ spielsweise in Granulatform vorliegende, verschiede niedermolekulare alkylgruppenhaltige Feststoffe in bestimmten, jeweils wählbaren Mengeneinheiten ge­ mischt werden.

In der Fig. 2 ist schematisch der Aufbau einer für das Verfahren einsetzbaren Vorrichtung gezeigt. Eine allgemein mit 22 bezeichnete Plasmaanlage weist eine Drehtrommel 24 auf. Die Drehtrommel 24 dient als Prozeßkammer und kann beispielsweise aus einem be­ ständigen Material wie Aluminium oder Edelstahl be­ stehen. Die Prozeßkammer ist zur Erzeugung eines Va­ kuums hermetisch abschließbar, wobei hier auf Einzel­ heiten nicht weiter eingegangen werden soll. Der Drehtrommel 24 ist eine als Reaktor dienende Einrich­ tung 26 zugeordnet, die mit einem Generator 28 zur Mikrowellenplasmaanregung und einer Hochfrequenzein­ speisung 32 gekoppelt ist. Weiterhin sind Zuleitungen 30 zum Heranführen von Prozeßgasen vorgesehen.

Die hier dargestellte Anordnung ist nur beispielhaft, und die Erfindung bezieht sich im einzelnen nicht auf den konkreten Aufbau der Anlage. Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich auch mit einer analogen, die einzelnen Verfahrensschritte vollzie­ henden Vorrichtung durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft nunmehr auf fol­ gende Weise ab. Der ausgewählte und vorbereitete niedermolekulare alkylgruppenhaltige Feststoff (gege­ benenfalls ein Gemisch aus verschiedenen Feststoffen) wird in die Drehtrommel 24 gegeben und dort ent­ sprechend der gewählten Drehgeschwindigkeit und Dreh­ richtung, die auch abwechselnd gewählt werden kann, vermischt. Über die Zuleitungen 30 wird das gewählte Prozeßgas beziehungsweise Prozeßgasgemisch zugeführt und über den Generator 28 in dem Reaktor 26 ein Plasma erzeugt. Die Plasmaerzeugung kann hierbei vorzugsweise mit einer Mikrowelleneinstrahlung bei Leistungen zwischen 200 und 1500 W (2,45 GHz) er­ folgen. Das Prozeßgas oder Prozeßgasgemisch weist hierbei vorzugsweise einen Prozeßdruck zwischen 0,1 und 2 mbar auf. Über die Hochfrequenzeinspeisung 32 wird eine Frequenz von beispielsweise 13,56 MHz angelegt und ein Plasma erzeugt. Aus dem erzeugten Plasma treffen aktivierte Teilchen auf das in die Drehtrommel 24 eingefüllte Ausgangsmaterial auf. Dies bewirkt eine Strukturveränderung innerhalb des Aus­ gangsmaterials, also des eingefüllten Feststoffes, in Form des Einbaus von polaren Gruppen (sauerstoff­ und/oder stickstoffhaltig). Diese polaren Gruppen sind sowohl reaktive Gruppen (Hydroxylgruppen, Carboxylgruppen, primäre und sekundäre Aminogruppen) als auch nicht reaktive Gruppen (Carbonylgruppen, tertiäre Aminogruppen). Eine Vernetzung findet nicht statt. Durch entsprechende wechselnde Zuführung von unterschiedlichen Prozeßgasen über die Zuleitungen 30 und unterschiedliches Anlegen von Frequenzen über den Generator 28 beziehungsweise die Hochfrequenz­ einspeisung 32, kann auf unterschiedliche Zusammen­ setzungen der Feststoffe Einfluß genommen werden.

In einem konkreten Beispiel wird in die Drehtrommel 24 ein Fettalkohol mit einer Korngröße zwischen 2 mm bis 5 mm eingefüllt. Als Prozeßparameter wird ein Prozeßgasdruck von 0,7 mbar bei einer Umdrehungs­ geschwindigkeit von 7 Umdrehungen pro Minute der Drehtrommel 24 eingestellt. Die Leistung des Gene­ rators 28 beträgt 1200 W und die der Hochfrequenz­ einspeisung 32 600 W. Als Prozeßgase werden Argon, Sauerstoff und Stickstoff zugeführt und der einge­ brachte Ausgangsstoff für die Dauer von insgesamt 300 s plasmabehandelt. Im einzelnen erfolgt eine Be­ handlung mit einem Argonplasma für 30 s unter Hoch­ frequenzanregung und 30 s unter Mikrowellenanregung, mit einem Sauerstoffplasma für 60 s unter Hochfre­ quenzanregung und 60 s unter Mikrowellenanregung sowie mit einem Stickstoffplasma für 60 s unter Hoch­ frequenzanregung und 60 s unter Mikrowellenanregung. Der Generator 28 erzeugt dabei eine Frequenz von 2,45 GHz und die Hochfrequenzeinspeisung 32 eine Frequenz von 13,56 MHz.

Nach Beendigung der Plasmabehandlung konnte bei dem behandelten Fettalkohol durch eine vergleichende Be­ trachtung festgestellt werden, daß sowohl die Werte des polaren als auch des dispersen Anteils der Grenz­ flächenenergie bei den erfindungsgemäß plasmabehan­ delten Fettalkoholen je nach Meßtemperatur bis zu doppelt so hoch wie bei den unbehandelten Fett­ alkoholen waren. Darüber hinaus stellte sich eine Verschiebung des isoelektrischen Punktes zu einem höheren PH-Wert ein.

Claims (11)

1. Verfahren zur Beeinflussung der Dispergierbarkeit, Emulgierbarkeit, Löslichkeit und/oder Reaktivität von niedermolekularen alkylgruppenhaltigen Feststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die niedermolekularen al­ kylgruppenhaltigen Feststoffe einer Plasmabehandlung in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 10 GHz unter­ zogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung mit wechselnden Frequenzen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung mit Kombinationen verschieden hoher, wechselnder Frequen­ zen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung un­ ter Zufuhr mindestens eines Inertgases, beispiels­ weise Helium und/oder Argon, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung un­ ter Zufuhr mindestens eines Reaktionsgases, bei­ spielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Monomeren durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung nacheinander mit wenigstens einem Inertgasplasma, we­ nigstens einem Reaktionsgasplasma oder einem Reak­ tionsgasgemischplasma oder unter Zufuhr eines Ge­ misches aus wenigstens einem Inertgas und wenigstens einem Reaktionsgas zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine alternierende Plasmabehand­ lung mit wenigstens einem Inertgasplasma, wenigstens einem Reaktionsgasplasma und wenigstens einem Gemisch eines Inertgas-Reaktionsgas-Plasmas.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung bei einem Prozeßdruck von 0,1 mbar bis 2 mbar erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Plasmabe­ handlung zwischen 5 Sekunden und 900 Sekunden be­ trägt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die niedermoleku­ laren alkylgruppenhaltigen Feststoffe während der Plasmabehandlung gemischt/verrührt werden.

11. Chemisch modifizierte niedermolekulare alkylgrup­ penhaltige Feststoffe, erhältlich durch eine Plasma­ behandlung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10.